Anforderungen im Fach Physik

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1 Anforderungen im Fach Physik für die Ergänzungsprüfung auf Niveau Fachmaturität Pädagogik (Kandidierende mit Berufs- oder Fachmaturität für die Studiengänge Primarstufe und Kindergarten-Unterstufe) Einleitung Die Physik befasst sich mit den Phänomenen der unbelebten Natur, deren Abläufen, Veränderungen und Gesetzmässigkeiten, die sie mit Hilfe einer möglichst präzisen Sprache Fachbegriffe und Mathematik möglichst umfassend und allgemeingültig zu beschreiben versucht. Der Physikunterricht führt Schülerinnen und Schülern in diese Sprache und das Denken der Physik als Wissenschaft ein. Kompetenzanforderungen An die Kandidatin oder den Kandidaten werden folgende mit der Themenliste verknüpften Anforderungen gestellt: Begriffe müssen in Worten - eventuell unter Verwendung von Zeichnungen - erklärt werden können. Sie müssen zur Beschreibung von Phänomenen korrekt angewendet werden können. Grössen müssen mit korrekten Masseinheiten (SI-System) berechnet bzw. für weitergehende Berechnungen verwendet werden können. Sehr grosse und kleine Masszahlen müssen mit Hilfe der Exponentialschreibweise und/oder mit Vorsätzen Milli, Mikro, Mega, usw. angegeben werden können. Gesetze/Prinzipien müssen in Worten unter Verwendung der korrekten Begriffe erläutert und mit ihrer Hilfe Phänomene qualitativ erklärt werden können. Lassen sich die Gesetze durch Formeln ausdrücken, so müssen damit Berechnungen durchführt werden können, wobei die Formeln gegebenenfalls umzuformen sind. Ergebnisse sind mit korrekten Masseinheiten anzugeben und sollten interpretiert und beurteilt werden können. Physikalische Phänomene, alltägliche Situationen und elementare zum Verständnis physikalischer Gesetze dienende Experimente müssen mit adäquaten Begriffen beschrieben und mit Bezugnahme auf Gesetze und Prinzipien erklärt werden können. Physikalische Geräte/Instrumente (Messinstrumente, Maschinen usw.) sind in ihrer wesentlichen Funktionsweise zu verstehen und deren Anwendung muss erklärt werden können. Kinematik geradliniger Bewegungen Ort, Wegstrecke, mittlere und momentane Geschwindigkeit, Beschleunigung. Geradlinige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit. Geradlinige Bewegung mit konstanter Beschleunigung (gleichmässig beschleunigte Bewegung) mit und ohne Anfangsgeschwindigkeit, z.b. Bremsweg, freier Fall, senkrechter Wurf. Fallbeschleunigung. Kräfte und ihre Wirkungen Trägheit. Masse, Dichte. Newton'sche Prinzipien, Grundgleichung der Mechanik Fres=m a (Aktionsprinzip). Gewichtskraft, Ortsfaktor. Kraft und Verformung. Hooke'sches Gesetz. Federkraft, Federkonstante, Reissfestigkeit. Kraftmesser. Gleit-, Haft- und Rollreibung, Reibungszahl, Normalkraft, Auflagekraft Ergänzungsprüfung Physik Niveau Fachmatur Pädagogik Seite 1 von 5

2 Arbeit, Energie, Leistung Hubarbeit und Lage-Energie (= potenzielle Energie). Beschleunigungsarbeit und Bewegungsenergie (= kinetische Energie). Spannarbeit und Spannenergie. Die Masseinheit [kwh]. Den mechanischen Energieerhaltungssatz in einfachen Situationen anwenden können (Freier Fall, Faden- und Federpendel, Achterbahn). Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten und Gasen Druck, Auflagedruck, die Druckeinheiten [Pa] und [bar]. Druck in Flüssigkeiten, Stempeldruck, Schweredruck, hydrostatisches Paradoxon. Luftdruck (ohne barometrische Höhenformel). Auftrieb (Auftriebskraft) in Flüssigkeiten und Gasen. Gesetz von Archimedes, Absinken, Schweben, Aufsteigen, Schwimmen. Wärme und Temperatur Temperatur, Celsius- und Kelvin-Skala (absolute Temperatur), Thermometer. Thermisches Verhalten von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen, Längen-, Volumen und Dichteänderung, Längen- und Volumenausdehnungskoeffizient, Dichte- und Gefrieranomalie des Wassers. Optik Lichtstrahlen, Licht und Schatten, Schattenschärfe, Halbschatten, Kernschatten, Lochkamera. Gerichtete und ungerichtete Reflexion, ebener Spiegel, Reflexionsgesetz. Lichtbrechung, Totalreflexion (qualitativ, d.h. keine Formeln). Elektrischer Strom Leiter, Nichtleiter, Isolatoren. Stromkreise, Stromstärke, Batterie, Spannung, Widerstand, Ohm'sches Gesetz. Schaltpläne, Schaltsymbole, Modellvorstellungen zum Stromkreis. Gesetze der Parallel- und Serieschaltung in einfachen Fällen anwenden (keine Kirchhoff'schen Regeln). Messgeräte, Volt- und Ampere-Meter und deren korrektes Anschliessen. Elektrische Energie, Leistung elektrischer Geräte. Stromnetz, Polleiter, Neutralleiter, Erdschutzleiter, Stromgefahren, Schutzmassnahmen, Sicherung. Magnetismus und Elektromagnetismus Magnete, Magnetpole, magnetisches Feld, Feldlinien, Kompass Ergänzungsprüfung Physik Niveau Fachmatur Pädagogik Seite 2 von 5

3 Empfohlene Literatur Nachfolgende Literaturhinweise enthalten die für die Prüfung relevanten Themengebiete. Kuhn, W. (1996). Kuhn Physik 1. Ausgabe in einem Band. Braunschweig: Westermann. (ISBN: ): Optik (S.12-41) Mechanik (S , ) Wärmelehre (S , ) Elektrizitätslehre (S ) Kuhn, W. (2000). Kuhn Physik 2. Grundkurse Sekundarstufe II. Braunschweig: Westermann. (ISBN: ): Elemente der Mechanik (S.8-37: Beschleunigte Bewegungen, Newton'sche Axiome) Übungsaufgaben mit Lösungen sind zu finden in: Deutschschweizerische Physikkommission (2010). Physik anwenden und verstehen. Aufgaben für die Sekundarstufe II. 4. Aufl.. Zürich: Orell Füssli. (ISBN ) Prüfungsmodalitäten Die Prüfung erfolgt schriftlich und dauert 60 Minuten. Es werden Rechenaufgaben und Verständnisfragen qualitativen Inhalts gestellt. Erlaubte Hilfsmittel: Eine Formelsammlung. Erlaubt sind Formeln und Tafeln (DMK), Fundamentum Mathematik und Physik (DMK) und Papula (Vieweg+Teubner) mit handschriftlichen Notizen, jedoch ohne gelöste Beispielaufgaben. Ein Taschenrechner (Algebra- und grafikfähige Taschenrechner sind erlaubt; alle Aufgaben sind aber auch mit einfachen Taschenrechnermodellen lösbar. Nicht erlaubt sind kommunikationsfähige Rechner und Handy). Etwa 50% der maximal zu erreichenden Punktezahl ergibt Note Ergänzungsprüfung Physik Niveau Fachmatur Pädagogik Seite 3 von 5

4 Musteraufgaben Verständnisfragen qualitativen Inhalts 1. Ein geparktes Auto steht auf horizontaler Strasse. Wirkt zwischen den Pneus und dem Boden eine Haftreibungskraft (=Haftkraft)? Begründen Sie Ihre Antwort. 2. Ein Schiff wird im Hafen beladen. Nimmt während des Beladens die auf das Schiff wirkende Auftriebskraft zu oder ab oder bleibt sie gleich? Begründen Sie die Antwort. 3. Warum ist der Neumond für uns nicht sichtbar? 4. Sie finden im Physikschrank einen Stabmagneten. Der eine Pol ist grün bemalt, der andere blau. Sie halten den blauen Pol in die Nähe einer Kompassnadel und stellen fest, dass die normalerweise nach Norden zeigende Nadelspitze zum blauen Pol hin zeigt. Ist der blau bemalte Pol ein Nord- oder ein Südpol. Begründen Sie die Antwort. Rechenaufgaben 5. Ariane fährt mit dem Fahrrad an, in dem Moment, da die Ampel auf grün schaltet. Sie beschleunigt 5 Sekunden lang gleichmässig und legt dabei 15 m zurück. Ariane wiegt 58 kg und das Fahrrad 12 kg. a) Wie gross ist die Beschleunigung? b) Welche Geschwindigkeit in km/h hat sie nach diesen 5 Sekunden? c) Wie gross ist die von Ariane verrichtete Beschleunigungsarbeit (von der Reibung abgesehen)? 6. Ein Lastwagen zieht einen Anhänger der Masse 15 Tonnen und beschleunigt innerhalb 5 Sekunden von 40 km/h auf 60 km/h. Welche Zugkraft übt die Anhängerkupplung während des Beschleunigungsvorgangs auf den Anhänger aus, wenn man von jeglichem Reibungswiderstand absieht? 7. Mit einer kleinen Federkanone wird eine Kugel der Masse 20 g senkrecht nach oben geschossen. Die Feder wird um 3 cm zusammengedrückt und die Kugel erreicht eine Höhe von 2.5 m. Berechnen Sie die Federkonstante. 8. Benzin besitzt den Volumenausdehnungskoeffizienten γ = K -1 und bei 20 C die Dichte ρ = 744 kg/m 3. Man bezieht an einer Tankstelle 75 Liter Benzin. a) Um wieviele Kilogramm Benzin handelt es sich, wenn die Temperatur 20 C beträgt? b) Um wieviele Kilogramm Benzin handelt es sich, wenn die Temperatur 5 C beträgt? 9. Ein Elektrischer Ofen hat die Betriebsspannung 230 V, die Leistung 2500 W und ist während 7 Stunden in Betrieb. Berechnen Sie a) die Stromstärke in der Zuleitung b) den elektrischen Widerstand des Ofens c) die Stromkosten beim Tarif 22 Rp./kWh Ergänzungsprüfung Physik Niveau Fachmatur Pädagogik Seite 4 von 5

5 10. Drei gleiche Lampen sind wie gezeichnet an einer Batterie angeschlossen. Nehmen Sie an, die Spannung an Lampe 2 betrage 4 V und die Stromstäke durch diese Lampe 0.5 A. 3 Berechnen Sie von allen drei Lampen - Spannung - Stromstärke - Widerstand - Leistung. 1 2 Antworten 1. Es wirkt keinerlei Reibungskraft, da keine Kraft in horizontaler Richtung (d.h. parallel zur Unterlage) auf das Auto wirkt. 2. Bei einem auf der Wasseroberfläche schwimmenden Körper ist die Auftriebskraft gleich dem Gewicht (Gewichtskraft) des Körpers. Beim Beladen nimmt das Gesamtgewicht des Schiffes zu, folglich auch die wirkende Auftriebskraft. 3. Bei dieser Mondphase befindet sich der Mond zwischen Erde und Sonne. (Wenn dies exakt zutrifft, findet eine Sonnenfinsternis statt). Er kehrt uns also seine unbeleuchtete Seite zu und ist ausserdem nur tagsüber am Himmel. 4. Die Spitze der Nadel ist selbst ein Nordpol (da sie nach Norden zeigt), folglich handelt es sich beim blau bemalten Pol um einen Südpol, da sich gegenteilige Pole anziehen. 5. a) 1.2 m/s 2 b) 21.6 km/h c) 1260 J 6. 16'700 N N/m 8. a) 55.8 kg b) 56.6 kg (Dichte 754 kg/m 3 ) 9. a) 10.9 A b) 21.2 Ohm c) Fr L1: 8 V 1 A 8 Ω 8 W L2: 4 V 0.5 A 8 Ω 2 W L3: 4 V 0.5 A 8 Ω 2 W Ergänzungsprüfung Physik Niveau Fachmatur Pädagogik Seite 5 von 5